西門子H級重型燃氣輪機冷卻空氣推測及建模

譚 超，趙節(jié)堅，柳治民，梁其鋒，方迅舟，加異卓

(華電福新廣州能源有限公司，廣州 511300)

燃氣輪機是一種高效、清潔的熱功轉換裝置。強化葉片冷卻效果，可提升透平初溫，提高燃氣輪機效率及功率。由于冷卻技術開發(fā)難度大，國外對冷卻空氣分配及計算方法嚴格保密。目前，國內(nèi)外對燃氣輪機整體性能模型、冷卻空氣估算做了很多研究。Young、Wilcock和于海等[1-3]考慮空氣冷卻建立燃氣輪機理想簡單循環(huán)熱力性能模型，但模型中燃料和空氣按理想配比考慮，偏離實際情況；Carcasci等[4]使用流體網(wǎng)絡法計算冷卻空氣量，但因技術涉密未公開部件的相關特性方程；李政等[5]建立透平熱力計算模型，該模型根據(jù)同類機型數(shù)據(jù)來修正模型的參考數(shù)值，相對誤差較小，但燃氣輪機廠家通常不提供抽氣流量與透平排氣流量比值；王文華等[6]和鄭露霞等[7]研究了考慮實際空氣冷卻的燃氣輪機熱力學模型，但模型僅涉及各部分的總冷卻空氣比例。針對上述情況，本文依托已建成投產(chǎn)的國內(nèi)首個H級重型燃氣輪機項目[8]，以SGT5-8000H燃氣輪機為對象，采用半經(jīng)驗公式和經(jīng)驗公式推測透平冷卻空氣，建立考慮實際冷卻空氣影響的壓氣機、透平的逐級熱力計算模型，并模擬在不同負荷、不同壓氣機入口溫度下冷卻空氣的變化情況，為探究H級燃氣輪機冷卻技術提供參考。

1 西門子SGT5-8000H燃氣輪機

2011年7月由西門子公司研發(fā)的、世界首臺H級燃氣輪機SGT5-8000H進入商業(yè)運行。截止到2019年2月18日，西門子共銷售近100臺SGT5-8000H燃氣輪機，其中70臺已在商業(yè)運行[9]。SGT5-8000H透平所需冷卻空氣由壓氣機第五、八、十一、十三級靜葉后抽取，具體為：壓氣機第十三級后抽氣用于冷卻第一級靜葉和動葉，壓氣機第十一級后抽氣用于冷卻第二級靜葉和動葉，壓氣機第八級后抽氣用于冷卻第三級靜葉和動葉，壓氣機第五級后抽氣用于冷卻第四級靜葉，第四級動葉不冷卻。透平各級葉片的冷卻方式見表1。

表1 SGT5-8000H燃氣輪機透平葉片冷卻方式

2 冷卻空氣量計算模型

2.1 Jordal半經(jīng)驗公式冷卻模型

參考Jordal提出的半經(jīng)驗公式冷卻模型計算透平第一級靜葉冷卻空氣量[10]。冷卻空氣進入冷卻通道與葉片換熱后與主燃氣摻混，冷卻透平燃氣側和冷卻空氣側能量平衡，即燃氣向葉片傳遞的熱量等于冷卻空氣吸收的熱量，有：

αgAb(Tg-Tb)=Gccρc(Tco-Tci)

(1)

式中：αg為燃氣側對流換熱系數(shù)，W/(m2·℃)；Ab為燃氣側葉片換熱面積，m2；Tg為燃氣側溫度，℃；Tb為葉片表面溫度，取值范圍800～900 ℃，本文取800 ℃；Gc為冷卻空氣流量，kg/s；cρc為冷卻空氣比熱，J/(kg·℃)；Tco為冷卻空氣出口溫度，℃；Tci為冷卻空氣入口溫度，℃。

(2)

式中：Stg為燃氣側斯坦頓數(shù)；ρg為燃氣密度，kg/m3；νg為燃氣流速，m/s；cρg為燃氣定壓比熱，J/(kg·℃)。

Gg=ρgvgAg

(3)

式中：Gg為燃氣質(zhì)量流量，kg/s；Ag為燃氣流道橫截面積，m2。

(4)

式中：ηc為葉片冷卻效率。

聯(lián)立式(1)至式(4)得：

(5)

給定StgAb/Ag、cρg/cρc時，已知中間量燃燒室出口溫度、冷卻空氣入口溫度Tci、透平第一級靜葉溫度和冷卻效率ηc，可計算燃氣輪機第一級靜葉冷卻空氣量。

2.2 經(jīng)驗公式冷卻模型

對于不同的冷卻方式，每一個葉柵中冷卻空氣在設計工況下的質(zhì)量流量，按如下冷卻空氣模型進行計算[11]：

(6)

氣膜冷卻模型：

(7)

蒸發(fā)冷卻模型：

(8)

同樣地，對流冷卻模型：

(9)

根據(jù)主燃氣和冷卻空氣狀態(tài)，通過半經(jīng)驗公式、經(jīng)驗公式冷卻模型計算，獲得燃氣輪機ISO溫度[14](即把所有冷卻空氣等效到透平入口，以進入透平的所有空氣量與燃料混合燃燒，所計算出的燃氣平均溫度)、各級冷卻空氣量等。

計算模型中，假定靜葉中僅導向不膨脹，在靜葉后與冷卻空氣摻混后的參數(shù)作為動葉膨脹做功的初始參數(shù)，動葉做功后的煙氣再與動葉冷卻空氣摻混后再作為下一級靜葉的入口參數(shù)。

3 計算結果及分析

3.1 模型驗證

本模型以燃氣輪機設計負荷為核算工況，計算得SGT5-8000H燃氣輪機在設計工況下的性能參數(shù)，如表2所示。

表2 模型計算結果和實測、文獻數(shù)據(jù)的對比

西門子智慧電廠系統(tǒng)顯示發(fā)電效率為38.31%、排氣流量為2 206 km3/h，考慮測量偏差，模型獲得的這2個參數(shù)精確度滿足需要。與文獻[7]計算的GE 9HA.02燃氣輪機相比，本模型計算的SGT5-8000H燃燒室出口溫度低16 ℃，ISO溫度高129 ℃，總冷卻空氣占比低1.9%，透平第一級靜葉冷卻空氣占比高7.7%，冷卻效率高4.4%。鑒于冷卻空氣比例少，故ISO溫度有較大升高，符合邏輯。GE 公司 H 級燃氣輪機采用空氣冷卻,其第一級靜葉溫降為 155 ℃[16]，本模型第一級靜葉溫降為161.5 ℃。通常壓氣機絕熱效率在80.0～90.0%之間[15]，本模型反推的壓氣機內(nèi)效率略高，為91.7%。考慮技術的發(fā)展趨勢，本模型的正確性得到驗證。

3.2 計算結果與分析

本模型維持燃料熱值、壓氣機壓損系數(shù)、燃燒室壓損系數(shù)、燃燒室效率等參數(shù)不變，分別針對不同燃氣輪機負荷、不同壓氣機入口溫度研究冷卻空氣及燃氣輪機性能參數(shù)的變化趨勢。

3.2.1 不同燃氣輪機負荷

燃氣輪機最低穩(wěn)定負荷為250 MW，最高負荷425 MW，因此取負荷間隔為30 MW，從250 MW至430 MW進行計算,取相同的壓氣機進氣條件(22 ℃, 101.325 kPa)。圖1表明燃氣輪機負荷從250 MW增加至430 MW時，燃燒室出口溫度增加195 ℃，ISO溫度增加150 ℃，壓氣機出口溫度增加43 ℃，燃氣輪機效率從32.9%增加至38.6%。

圖1 不同負荷下燃氣輪機溫度及效率變化

由圖2可知，隨著負荷增加，總冷卻空氣量、第一級靜葉冷卻空氣量均增加。對模型進行敏感性分析發(fā)現(xiàn)，這是由于透平入口煙氣溫度增加、冷卻空氣溫度增加、燃燒室出口煙氣流量增加這三個因素同向促成的。總冷卻空氣量占比約為20%，其中第一級靜葉冷卻空氣占比隨負荷增加而增加，到430 MW時占比71.8%。

圖2 不同負荷下冷卻空氣變化

3.2.2 不同壓氣機入口溫度

維持其他輸入?yún)?shù)不變，壓氣機入口空氣溫度分別取10 ℃、14 ℃、18 ℃、22 ℃、24 ℃、26 ℃、30 ℃、34 ℃(據(jù)該機組所處地理位置選擇的典型氣溫)。

圖3 不同壓氣機入口溫度下燃氣輪機參數(shù)

由圖4可知，隨著壓氣機入口溫度增加，總冷卻空氣量、第一級靜葉冷卻空氣量均增加。對模型進行敏感性分析發(fā)現(xiàn)，冷卻空氣量與透平入口溫度、冷卻空氣溫度均正相關，模型計算得透平入口溫降與冷卻空氣溫升相差不大，由于冷卻空氣溫度更接近于葉片溫度，因此影響更大。所以當冷卻空氣溫度升高，冷卻空氣量有上升趨勢。總冷卻空氣量占比約為19%，其中第一級靜葉冷卻空氣量占比隨壓氣機入口溫度增加而增加，當入口溫度34 ℃時占比68.5%。

圖4 不同壓氣機入口溫度下冷卻空氣變化

4 結論

本文根據(jù)半經(jīng)驗和經(jīng)驗公式冷卻模型推測透平冷卻空氣量，在此基礎上建立西門子SGT5-8000H燃氣輪機模型并進行驗證，并利用模型計算不同燃氣輪機負荷、不同壓氣機入口溫度下的冷卻空氣變化，結論如下：

1) 模型對壓氣機和透平均采用逐級計算，考慮冷卻過程中燃氣和冷卻空氣的溫度及成分的變化，更符合實際。通過對燃氣輪機壓氣機效率、發(fā)電效率、燃燒室出口溫度、ISO溫度、冷卻空氣比例、冷卻效率、煙氣流量和第一級靜葉溫降的校對, 表明本燃氣輪機模型及冷卻空氣分配方法可靠。

2) 采用半經(jīng)驗公式和經(jīng)驗公式，估算燃氣輪機透平各級葉片的冷卻空氣量。結果表明隨負荷或壓氣機入口溫度增加，總冷卻空氣量和第一級靜葉冷卻空氣量均增加。總冷卻空氣占比穩(wěn)定在20%左右，其中第一級靜葉冷卻空氣占比在54%～71.8%之間，并隨負荷或壓氣機入口溫度增加而增加。

3) 負荷升至430 MW時燃氣輪機效率增至38.6%；壓氣機入口溫度升高時，壓氣機等熵效率增加；燃氣輪機在高負荷或低環(huán)境溫度下，燃燒室燃燒溫度提高，燃燒室部件可能過熱。